Herzlich Willkommen bei der Forschungsgruppe Mikrostrukturierte Glasfasern

Photonische Kristallhohlfasern (HC-PCF) ermöglichen Licht beugungsfrei zu leiten. Dabei können sie entweder mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt sein. Die Wellenleitereigenschaften ermöglichen Lichtleitung über große Entfernungen und damit eine gute Licht-Materie-Wechselwirkung. Mit einatomigen Gasen gefüllte Fasern sind ein vielseitiges System für die Quantenoptik. Durch Variation des Drucks kann die Dispersionslandschaft der Faser angepasst werden, was die Erzeugung ausgewählter Wellenlängen durch Phasenanpassung ermöglicht. Zusätzlich wird durch die Verwendung einatomiger Gase als Verstärkungsmaterial der schädliche Beitrag der Raman-Streuung vermieden. Somit werden Quellen nichtklassischen Lichts nicht beeinträchtigt, da die Korrelation zwischen den durch die Vier-Wellen-Mischung erzeugten Seitenbändern nicht verschlechtert wird. In den letzten zehn Jahren haben wir ein solches System genutzt, um Zwillingsstrahlen aus korrelierten Photonen zu erzeugen, und kürzlich ein abstimmbares Photonenpaar, das UV- und IR-Bänder überbrückt.

In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Maria Chekhova untersuchen wir die Möglichkeit, einen Triplett-Photonenzustand in einer optischen Faser zu erzeugen. Dieser Prozess kann als Quantengegenstück zur Erzeugung der dritten Harmonischen betrachtet werden: Aus einem einzigen Photon entstehen drei Tochterphotonen. Die direkte spontane Abwärtskonvertierung dritter Ordnung ist im optischen Bereich noch nicht nachgewiesen worden und stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar, bei der die Technologie der Glasfasern einen wertvollen Beitrag leisten könnte.

Anstatt zu versuchen, Raman-Streuung um jeden Preis zu vermeiden, haben wir kürzlich gezeigt, dass ein gut vorbereitetes kohärentes Muster von Molekülschwingungen in Di-Wasserstoff eine lineare Umwandlung von Einzelphotonen ermöglichen kann. Dabei blieb die fragile Quantenkorrelation des ursprünglichen verschränkten Paares erhalten, es wurde eine Umwandlungseffizienz von bis zu 70 % erreicht. Diese Technik könnte z. B. zur Umwandlung von Photonen aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich in den Telekommunikationsbereich verwendet werden. Das Füllen der Faser mit Rb ist eine weitere interessante Möglichkeit der Nutzung. Gemeinsam mit dem 5. Physikalischen Institut in Stuttgart haben wir ein Experiment aufgebaut, bei dem HC-PCF mit Rb-Atomen gefüllt wird, um als Plattform für die Rydberg-Physik bei Raumtemperatur zu dienen.

In jüngerer Zeit haben wir HC-PCF im klassischen Regime verwendet, um Siliziumdioxidteilchen in seinem "leeren" Kern anzutreiben. Die fliegenden Teilchen in diesem Szenario können dann zur Temperaturmessung verwendet werden. Mit ferrimagnetischem YIG könnte dies auch als empfindlicher magnetischer Sensor eingesetzt werden. Wir haben beobachtet, dass ein einziges YIG-Teilchen mit einem Durchmesser von einem µm, das im Kern einer HC-PCF eingeschlossen ist, die Richtung der linearen Polarisation eines Eingangsstrahls als Reaktion auf ein externes Magnetfeld drehen kann. Das ultimative Ziel dieser neuen Plattform ist die Erforschung der Magnon-Photon-Wechselwirkung auf der Einzelphotonen-Ebene.

In einer anwendungsorientierten Verwendung ist die HC-PCF perfekt für die In-situ-Überwachung chemischer Reaktionen geeignet. Wir haben gezeigt, dass durch das Füllen der Faser mit flüssigen Chemikalien spezifische chemische Eigenschaften wie die Aktivierungsenergie oder die Chiralität des Moleküls gemessen werden können.

Ein Teil unserer Arbeitsgruppe arbeitet mit mikrostrukturierten Fasern mit festem Kern. Durch die Möglichkeit, ihre Dispersion und nichtlinearen Eigenschaften zu kontrollieren, waren sie früher die Methode der Wahl für die nichtlineare Optik. Eine der wichtigsten Anwendungen solcher Fasern ist die Erzeugung eines breiten Superkontinuums (SC) mit einem Spektrum, das sich über mehrere Oktaven erstreckt. Heutzutage ist das Ziel nicht mehr auf ultrabreite Quellen ausgerichtet. Viele Anwendungen solcher spektral breiten Quellen erfordern Stabilität, da die auf Solitonendynamik basierenden Quellen zu verrauscht sind. Mit verdrillten Fasern mit normaler Dispersion haben wir ein ultra-rauscharme SC demonstriert. Diese Quelle wird in mehreren internationalen Kollaborationen weltweit eingesetzt werden.